立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計1

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1、 畢 業(yè) 設 計 題 目： 立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計 學院： 機械工程學院 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班級： 學號： 學生姓名：

2、 導師姓名： 完成日期： 2012年6月6號 2 誠 信 聲 明 本人聲明： 1、本人所呈交的畢業(yè)設計（論文）是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果； 2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設計（論文）中不包含其他人已經公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料； 3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設計（論文）中的所有內容均真實、可信。 作者簽名：

3、 日期： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目： 立 式 加 工 中 心 主 傳 動 系 統(tǒng) 設 計 姓名 學院 專業(yè) 班級 學號 指導老師 職稱 教研室主任 一、基本任務及要求： 本課題以立式加工中心

4、的主傳動系統(tǒng)設計為目標，通過對其機械部分、電氣控制部分的設計，使之能夠適應現(xiàn)代制造企業(yè)對加工設備的更高要求。通過設計使學生掌握加工中心數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)結構及控制部分設計的基本方法、步驟、過程和原理，同時提高他們分析、解決問題的能力及綜合運用所學知識的能力。課題基本任務及要求： 1.熟悉數(shù)控機床（加工中心）本身的特點、明確設計要求； 2.擬定機床主傳動系統(tǒng)的總體方案（機械部分、控制部分）； 3.進行加工中心機械部分的結構設計；

5、 4.進行主傳動電氣控制系統(tǒng)的設計； 二、進度安排及完成時間： 1.明確設計任務、熟悉設計課題、搜集有關資料； 2月29日前完成 2.在熟悉課題要求的前提下，進入課題實施階段，進行有關方面知識的準備、撰寫開題報告； 3月20日前完成 3.根據(jù)要求提出主傳動系統(tǒng)設計的思路、擬定其方案； 3月31日前完成 4.進行機械結構設計（繪

6、制主軸箱部裝圖及1-2個零件圖）； 4月20日前完成 5.進行系統(tǒng)的動態(tài)特性分析（如果時間緊這一步可省）； 5月10日前完成 6.進行主傳動電機控制系統(tǒng)的設計（繪制控制系統(tǒng)圖）； 5月20日前完成 7.編寫畢業(yè)設計說明書并打印； 5月28日前完成 8.程序文件的整理、存儲介質的制作、準備答辯； 5月31日前完成 9.畢業(yè)設計答辯。 6月10日前完成 1 目 錄 摘要 Ⅰ Abstract

7、Ⅱ 第1章 緒 論 1 1.1 引言 1 1.2 研發(fā)背景及意義 1 1.3 加工中心的發(fā)展狀況 2 1.4 課題擬解決的關鍵問題 2 第2章 立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計 4 2.1 加工中心主軸箱的組成 4 2.2 機械系統(tǒng)方案的確定 4 2.2.1 主軸傳動機構 4 2.2.2 加工中心主軸組件總體設計方案的確定 4 2.3 運動及動力參數(shù)計算 5 2.3.1 銑削分力 5 2.3.2 銑削圓周力的計算 6 2.3.3 選用電機 9 第3章 傳動系統(tǒng)的設計 11 3.1 主傳動系統(tǒng)的設計 11 3.1.1 帶傳動的設計 11 3.1.2 齒輪

8、傳動的設計 12 3.2 Ⅰ軸的設計 17 3.2.1 Ⅰ軸的初步設計 17 3.2.2 I軸的校核 18 3.3 主軸的設計 21 3.3.1 主軸的設計 21 3.3.2 主軸受力分析 24 3.3.3 主軸的強度校核 28 3.3.4 主軸的剛度校核 29 第4章 控制系統(tǒng)設計 30 4.1控制系統(tǒng)總體設計 30 37 4.2硬件設計 31 4.3軟件設計 32 4.3.1 步進電機的控制原理 33 4.3.2 變頻電機的相關控制 34 4.3.3 譯碼法尋址 34 4.3.4 鍵盤顯示器接口 34 4.3.5 程序存儲器（EEPROM

9、）芯片 34 4.2.6 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片 34 結論 35 致 謝 36 參考文獻 37 立式加工中心主傳動系統(tǒng)設計 摘要：數(shù)控技術和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的基礎，這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力，關系到國家的戰(zhàn)略地位。 立式加工中心主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)。包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件。 本文通過對立式加工中心主傳動系統(tǒng)的各方面設計，以達到低制造成本、簡化機構、實現(xiàn)優(yōu)化。采用變頻電機和一級機械調速達到調速和傳遞功率的要求；用步進電機驅動主軸上下運動達到Z行程的要求；數(shù)控裝置采用51單片機來實現(xiàn)對電機更

10、加精確的控制和實現(xiàn)機械調速的自動控制。 關鍵詞：主傳動；設計；立式加工中心 Main drive system designed for vertical machining centers Abstract:The numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this found

11、ation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position. Machining center tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric mo

12、tor, transmission system and spindle unit. This article through designs to Machining center master drive systems various aspects, achieves the low production cost, the simplified organization, to realize the optimization. Uses the frequency conversion electrical machinery and the first-level machi

13、nery velocity modulation achieves the velocity modulation and the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; The numerical control installment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an elect

14、rical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control. Keywords:Main drive system; Design; Machining center 第1章 緒 論 1.1 引言 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù)控技術及裝備是發(fā)展高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術及其產業(yè)，生物技術及其產業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本

15、的裝備。制造技術和裝備是人類生產活動的最基本的生產資料，而數(shù)控技術則是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。 數(shù)控機床技術的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺三坐標方式升降臺數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀90年開始，計算機技術及相關的微電子基礎工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機床的發(fā)展提供了一個良好的平臺，使數(shù)控機床產業(yè)得

16、到了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術研究從1958年起步，國產的第一臺數(shù)控機床是北京第一機床廠生產的三坐標數(shù)控銑床。雖然從時間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機床技術在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數(shù)控機床產量還不到700臺。到90年代，我國的數(shù)控機床技術發(fā)展才得到了一個較大的提速。目前，與國外先進水平相比仍存在著較大的差距。 總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 1.2 研發(fā)背景及意義 本課題是以加工中心為研究目標，從其主傳動系統(tǒng)結構及其電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)入手，對其系統(tǒng)結構設計、結構組成分

17、析、分級變速分析、傳動件的計算分析和主傳動電氣控制系統(tǒng)的設計的幾個方面進行設計研究。為優(yōu)化傳動系統(tǒng)結構和改善傳動系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定特性提供必要的理論依據(jù)通過本課題的研究，使加工中心結構更加緊湊，性能更加優(yōu)越，生產加工更加精密。 與普通數(shù)控機床的工藝裝備相比較，加工中心工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強，一般采用電動、氣動、液壓以及計算機控制，其自動化程度更高。合理使用加工中心的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型加工中心所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。 1.3 加工中心的發(fā)展狀況 對于高速加工中心，國外機床在進

18、給驅動上，滾珠絲杠驅動的加工中心快速進給大多在以上，最高已達到。采用直線電機驅動的加工中心已實用化，進給速度可提高到，其應用范圍不斷擴大。國外高速加工中心主軸轉速一般都在，由于某些機床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預計轉速上限可提高到。國外先進的加工中心的刀具交換時間，目前普遍已在左右，高的已達，甚至更快。在結構上，國外的加工中心都采用了適應于高速加工要求的獨特箱中箱結構或龍門式結構。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機床精度溫度補償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國外加工中心定位精度基本上按德國標準驗收，行程以下，定位精度可控制在之內。此外，為適應未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標鏜

19、精度級的加工中心。 相對而言，國內生產的高速加工中心快速進給大多在左右，個別達到。而直線電機驅動的加工中心僅試制出樣品，還未進入產量化，應用范圍不廣。國內高速加工中心主軸轉速一般在，定位精度控制在之內，重復定位精度控制在之內。在換刀速度方面，國內機床多在，無法與國際水平相比。 雖然國產數(shù)控機床在近幾年中取得了可喜的進步，但與國外同類產品相比，仍存在著不少差距，造成國產數(shù)控機床的市場占有率逐年下降。 國產數(shù)控機床與國外產品相比，差距主要在機床的高速、高效和精密上。除此之外，在機床可靠性上也存在著明顯差距，國外機床的平均無故障時間（MTBF）都在小時以上，而國產機床大大低于這個數(shù)字，國產機床

20、故障率較高是用戶反映最強烈的問題之一。 1.4 課題擬解決的關鍵問題 各類機床對其主軸組件和進給組件的要求，主要是精度問題，就是要保證機床在一定的載荷與轉速下，組件能帶動工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉，并長期地保持這一性能。主軸組件和進給組件的設計和制造，都是圍繞著解決這個基本問題出發(fā)的。為了達到相應的精度要求，通常，主軸組件和進給組件應符合以下幾點設計要求： 旋轉精度：旋轉精度是指機床在空載低速旋轉時，安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值滿足要求，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。 剛度：指主軸組件和進給組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時，不僅影

21、響加工精度和表面質量，還容易引起振動，惡化傳動件和軸承的工作條件。設計時應在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值。 抗振性：指主軸組件和進給組件在切削過程中抵抗強迫振動和自激振動保持平穩(wěn)運轉的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|量和生產率，應盡量提高。 溫升和熱變形：溫升會引起機床部件熱變形，使主軸旋轉和進給的相對位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會改變軸承等元件的間隙、破壞潤滑條件，加速磨損。 耐磨性：指長期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤滑方式。 第2章 立式加工中心主傳動系統(tǒng)設

22、計 2.1 加工中心主軸箱的組成 主軸箱是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動件和減速齒輪等組成的。主軸的啟動、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運動，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關鍵部件，其結構的好壞對加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動態(tài)剛度、加工精度等。主軸內部刀具自動夾緊機構是自動刀具交換裝置的組成部分。 2.2 機械系統(tǒng)方案的確定 2.2.1 主軸傳動機構 對于現(xiàn)在的機床主軸傳動機構來說，主要分為齒輪傳動和同步帶傳動。 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用普遍，類型較多，適應性廣。其傳遞的功率可達近十萬

23、千瓦，圓周速度可達，效率可達。齒輪傳動大多數(shù)為傳動比固定的傳動，少數(shù)為有級變速傳動。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。 同步帶是嚙合傳動中唯一一種不需要潤滑的傳動方式。在嚙合傳動中，它的結構最簡單，制造最容易，最經濟，彈性緩沖的能力最強，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產，帶輪自行設計制造，它在遠距離、多軸傳動時比較經濟。同步帶傳動時的線速度可達（有時允許達），傳動功率可達，傳動比可達（有時允許達），傳動效率可達。 本課題的主軸傳動方式中選擇齒輪傳動。 2.2.2 加工中心主軸組件總體設計方案的確定 綜合2.2中的方案，本課

24、題的總體設計方案現(xiàn)確定如下： 由于采用齒輪傳動，能保證固定的傳動比，且傳動效率高，傳遞功率大，允許的線速度較高，需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動方式中選擇齒輪傳動。 在主軸的進給運動中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運行時無爬行、無振動，能夠很好地確保Z軸的進給精度。 由于加工中心具備自動換刀功能，所以在主軸組件中還應有主軸準停裝置、刀具自動夾緊機構以及切屑清除機構。在本課題中，主軸準停機構采用磁力傳感器檢測定向，其不僅能夠使主軸停止在調整好的位置上，而且能夠檢測到主軸的轉速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機床操作者調整轉速。 在換刀過程中，刀具自動夾緊機構也

25、是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時能緊緊地固定在主軸上，在換刀時能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\動來達到刀桿的松緊目的。同時，為了減少液壓推力對主軸支承的磨損，在主軸的內部設置了一段碟形彈簧，使活塞對拉桿的作用起到一個緩沖的作用。同時，在換刀過程中，活塞及拉桿的內部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。 在伺服系統(tǒng)中，本課題在進給系統(tǒng)中選用直流伺服電動機，而在主運動系統(tǒng)中則選用交流伺服電動機。由于交流伺服電動機具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運動系統(tǒng)中。 2.

26、3 運動及動力參數(shù)計算 由主軸轉速100—2500r/min,由此初步確定軸轉速及電機選用。 1主軸轉速由變速箱加上PCL控速速，選取總傳動比1：1.2，則電機轉速范圍為120r/min—3000r/min. 2 確定主軸轉矩以及功率 電機轉矩由主軸正常工作時需要的轉矩來確定，因此需要計算切削用量。由《專用機床設計與制造》Pg680頁銑削力及銑削功率的計算如下： 2.3.1 銑削分力 車銑削時的切削分力（見切削了力圖 圖2-5和表2-1）有： 圓周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；頸向力Py，即銑刀所受的頸向切學力；軸向力Po；壓軸力（垂直分力）Pv。 圖2

27、-5 切削力圖 表2-1 銑削各分力與圓周力的比值 銑削條件 比值 對稱銑削 不對稱銑削 逆銑 順銑 端 銑 PH/PZ 0.3-0.4 0.9-0.6 0.3-0.15 B/D=0.4-0.8 =0.1-0.2mm PV/PZ PO/PZ 0.85-0.95 0.5-0.55 0.45-0.7 0.5-0.55 1-0.9 0.5-0.55 平面銑、立銑、圓盤銑、成形銑 t/D=0.5 PH/PZ 1-1.2 0.8-0.9 =0.1-0.2mm PV/PZ 0.2-0.3 0.75-0.8 P

28、O/PZ 0.35-0.4 0.35-0.4 2.3.2 銑削圓周力的計算 公式如下： 1、刀具：高速鋼（粗加工，低速） 加工材料：бb=75公斤力/mm,中、高碳鋼 1）端銑： B=0.4～0.8D=26～52mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=9～12m/min n=100r/min V=Dn=653.14*100/10

29、00=20.42m/min 2)立銑： 由經驗值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, V=Dn=303.14*1000/1000=9.42m/min 2、刀具：硬質合金鋼（精加工、高速） 加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳鋼 1）端銑： 精加工：銑削深度t=0.5～1mm 取t=1mm銑削速度v=90～150m/min V=Dn=453.14*1000/1000=141.4m/min B

30、=0.4～0.8 D=18～36mm(取B=35mm) z=2 2）立銑 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 經驗植：D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, V=Dn=323.14*1000/1000=100.53m/min 銑削功率：N= 2.3.3 選用電機 選用變頻調速電機，頻率范圍2~100HZ，4極，轉速范圍60~3000r/min。當f<50Hz時為恒轉矩調

31、速；當f>50Hz時為恒功率調速。故有，當f=50Hz時電機有最大轉矩，若電機額定功率為4KW，則?，F(xiàn)選用帶傳動比為1：1.2，齒輪傳動比為1：1或1：3的二聯(lián)齒輪傳動副。則主軸轉速范圍為57.2r/min~2860r/min，滿足要求100r/min~2500r/min。 由圖2-5電機特性曲線圖及表2-2、表2-3、表2-4和圖2-6確定電機： 變頻調速電機 4級 頻率范圍2~100Hz, 轉速范圍60~3000RPM，拐點轉速（50Hz）1430r/min，額定功率4KW，最大轉矩40 ▲轉矩與頻率的關系曲線 ▲功率與頻率的關系曲線 圖2-5 電機特性曲線圖

32、 表2-2 電機參數(shù)表 型號 額定功率 （KW） 機座號 額定轉速 (r/min) 額定電流 (A) 額定轉矩 (N.m) 堵轉轉矩 / 額定轉矩 最大轉矩 / 額定轉矩 轉動慣量 （kg.） 重量 （Kg） 變頻器功率 （kw） A型 B型 CTB-41P5BXB33-4 1.5 100LM 920 3.6 15 1.3 2.3 0.00716 36 1.5 2.2 CTB-42P2BXB33-4 2.2 100L1 920 5.2 22 1.3 2.3 0.00975 38 2.2 3

33、.7 CTB-43P0BXB33-4 3 100L2 920 6.8 31 1.3 2.3 0.0116 40 3.7 3.7 CTB-44P0BXB33-4 4 112M 940 8.7 40 1.3 2.3 0.0207 57 5.5 5.5 CTB-45P5BXB33-4 5.5 132S 950 11.5 55 1.3 2.3 0.0418 75 5.5 7.5 注：額定電壓/頻率：380V/50Hz 極數(shù)：4極　同步轉速1430轉/分 圖2-6 B5法蘭安裝圖 所以可以選用的電機為：電

34、機：CTB44P0BXB33合理 第3章 傳動系統(tǒng)的設計 3.1 主傳動系統(tǒng)的設計 3.1.1 帶傳動的設計 1 計算功率 帶輪傳動的傳動比 ：i=1.2 ，選取SPA型窄帶，且 所以： 2中心距的計算 取 則 3 計算包角 4 計算帶速 5 計算預緊力 式中 計算功率；帶速；材料的修正系數(shù)；帶數(shù) 6 計算作用到Ⅰ軸上的壓軸力 3.1.2 齒輪傳動的設計 1 材料的選擇：小齒輪 40C

35、r調 , ；大齒輪 45鋼 , 。初選小齒輪的齒數(shù) ，且其mm,則大齒輪的齒數(shù) 2 齒面接觸強度設計 1）確定公式中個計算數(shù)值 試選載荷系數(shù) =1.3。 計算小齒輪傳遞的扭矩 由《機械設計》 表10-7圓柱齒輪的齒寬系數(shù) 選取齒寬系數(shù) =0.4。 由《機械設計》 表10-6彈性影響系數(shù)查得材料的彈性影響系數(shù) 。 由《機械設計》 圖10-21d齒輪的接觸疲勞強度極限 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限

36、 ，大齒輪的接觸疲勞強度極限 。 計算疲勞壽命h。 由《機械設計》 圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù) 查得接觸疲勞壽命系數(shù) ，。 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1﹪，安全系數(shù)為S=1,由此得： 2）計算 試算小齒輪分度圓直徑，代人中較小的值 計算圓周速度v 計算齒寬b 0.463.13mm =25.2mm 計算齒寬和齒高之比b/h: 法向模數(shù) 齒高 b/h=19.82/6.75=3.73 計算載荷系數(shù) 根據(jù)v=3.94m/s,7級精度，由《機械設計》 圖10-8動載系數(shù)圖 查得動載系數(shù) 直齒

37、輪，假設 ＜100N/mm。 由《機械設計》 表10-3查得 。 由《機械設計》 表10-2查得使用系數(shù) 。 由《機械設計》 表10-4查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時： 由b/h=3.73， ，查《機械設計》圖10-13得 故載荷數(shù) 。 按實際載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式《機械設計》（10-10a） 得：

38、 計算模數(shù) 。 3 按齒根彎曲強度設計 由《機械設計》 式（10-5）的彎曲強度設計公式 1）確定公式中的各計算數(shù)值 由《機械設計》圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞強度是 大齒輪的彎曲疲勞強度是 。 由《機械設計》 圖10-18查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù) ，。 計算彎曲許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-1）得： 計算載荷系數(shù)K 查取齒形系數(shù) 由《機械設計》 表10-5可查得

39、 ， 。 查取應力校正系數(shù) 由《機械設計》 表10-5可查得 ， 。 計算大小齒輪的并加以比較： 比較可知大齒輪的數(shù)值比較大。 2)設計計算 對比計算結果，又因為齒輪模數(shù)m主要取決于彎曲強度，因而m=3mm，分度圓直徑=79.41mm,算出小齒輪齒數(shù)。 則大齒輪齒數(shù)，則。 4 幾何尺寸的計算 1）分度圓直徑d的計算 2）中心距a的計算 3）齒厚b的計算 5 驗算 所以此齒輪設計合理。 6 的齒輪設計 齒輪的材料都為45鋼，調質處理。由 i=1,a=168,且m=3, 則

40、 ，取B=25mm。 傳動系統(tǒng)圖如圖3-1： 圖3.1 傳動系統(tǒng)圖 當電機轉速最高和最低時候主軸箱各軸轉速圖如下： 圖3-2 傳動系統(tǒng)轉速圖 3.2 Ⅰ軸的設計 3.2.1 Ⅰ軸的初步設計 材料的選擇:45鋼，調制處理到HB=220-250HBS,5級精度.因而可由以下公式進行設計： 所以最小可取30mm。 當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，當軸截面上開有一個鍵槽時，應增大3％；有兩個鍵槽時，應增大7％。對于

41、直徑d<100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大5％~7%；有兩個鍵槽時，應增大10%~15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。 3.2.2 I軸的校核 通過軸的結構設計，軸的主要結構尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度較核計算。其中軸的結構如下圖3-3Ⅰ軸結構簡圖 圖3-3Ⅰ軸結構簡圖 軸上力的計算步驟如下： 1）軸上各個方向力的計算 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的

42、中點算起。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關，可按圖來確定。 由以上的計算過程可得， 。 根據(jù)3.1.1 帶傳動的設計的計算可知，帶輪作用到Ⅰ軸上的壓軸力FP=1017N，其力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，且可計算作用到齒輪上的圓周力和徑向力如下： 現(xiàn)在從軸受力方向進行力的計算，其中力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，而軸上的力的計算如下： 沿圓周方向： 在豎直截面方向： 2）根據(jù)力學圖，分別按

43、在橫截面方向和在豎直截面方向計算各力產生的彎矩，并按計算結果分別作出水平面上的彎矩MH和垂直面上的彎矩MV，然后按下式計算總彎矩并作出M圖；；根據(jù)力學關系與受力性質可知彎矩。 根據(jù)圖可得： ； ； ； 則。 3）作載荷分部圖如圖3-2軸的載荷分析圖 4）較核軸的強度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強度較核計算。按第三強度理論，計算應力。通常由彎矩所產生的彎曲應力是對稱循環(huán)變應力，而由扭矩所產生的扭轉切應力則常常不是對稱循環(huán)變應力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計算應力為—式中的彎曲應力為對稱循環(huán)變應力。當扭轉切應力為靜應力時，取

44、；當扭轉去、切應 力為脈動循環(huán)變應力時，??；若扭轉切應力亦為對稱循環(huán)變應力時，則取。齒輪上的扭矩是脈動的，所以去。對直徑為d的圓軸，彎曲應力，扭轉切應力，將和代入式中，則軸的彎扭合成強度條件為 式中： 軸的計算應力，單位為MPa; M軸所受的彎矩，單位為Nmm; T軸所受的扭矩，單位為Nmm; W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 對稱循環(huán)變應力的軸的許用彎曲應力。 上式中，所以； 查表得到= 所以Ⅰ軸的設計合理。 圖3-4 軸的載荷

45、分析圖 3.3 主軸的設計 3.3.1 主軸的設計 主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3.5。 圖3.5主軸主要參數(shù)示意圖 （1） 主軸軸徑的確定 主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時造成相配零件尺寸加大、制造困難、結構龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應取較小值。 設計時主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動機功率來確定，由《現(xiàn)

46、代數(shù)控機床結構設計》查得。 由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關系： （2） 主軸內孔直徑的確定 主軸內孔直徑與機床類型有關，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應盡量取大值。 由經驗得知，當時（是主軸平均直徑），主軸剛度會急劇下降；而當時，內孔對主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計，所以常取孔徑的極限值為： 此時，剛度削弱小于。 按照任務書的要求及綜合各軸段直徑的實際大小，確定內孔直徑。 （3）

47、主軸端部形狀的選擇 機床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結構上，應能保證定位準確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結構形狀都已標準化。 圖3.6所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照JB2324-78進行加工，選擇主軸序號為50的主軸端部尺寸。 圖3.6 銑床主軸的軸端形式 （4） 主軸懸伸量的確定 主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑向支承中點）的距離。它主要取決于主軸端部結構型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機床其他結構參數(shù)有關，如工作臺的行程等，因此主要由結構設計確定。 懸

48、伸量值對主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結構要求的前提下盡可能取小值，同時應在設計時采取措施縮減值。 （5） 主軸支承跨距的確定 支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點之間的距離?？缇嗍菦Q定主軸系統(tǒng)動、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。 最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時的跨距。其推導公式是在靜態(tài)力作用下進行的。實驗證明，動態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。 最優(yōu)跨距可按下列公式計算： （3.2） 式中：

49、 （3.3） （3.4） 式中： —— 主軸前端懸伸長，單位為； —— 材料的彈性模量，單位為； —— 軸慣性矩，單位為； —— 前軸承剛度值，單位為； —— 后軸承剛度值，單位為。 按上式計算最優(yōu)跨距，計算過程如下： （3.5） 式中： —— 主軸跨距部分的平均直徑，單位為； —— 主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。 由式（3.5）得：；， ；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結構形式確定主軸前

50、端懸伸長 將上述參數(shù)值代入公式(3.3)(3.4)，得， 將，值代入公式（3.2），得 按照結構設計的要求，取。 由于，故滿足設計要求。 3.3.2 主軸受力分析 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。 (a) (b) (c) 圖3.7 軸承受力圖 主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動的支承形式。圖示3.7a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3.7b）和水平面（圖3.7c）兩個平面力系。 由公式（3.1）得出切向銑削力

51、 徑向負荷 切向負荷 軸向負荷 圖3.8 靜不定梁鉛垂面分解圖 由于此主軸的受力屬于簡單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3.8為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調條件，即要求。 利用疊加法，得撓度為： （3.6） 式中： —— 徑向（切向）負荷分力，單位為； —— 徑向（切向）負荷，單位為； —— 材料的彈性模量，； —— 軸慣性矩，。 由公式（3.5）得。將，代入公式（3.6），則鉛垂面的撓度為： 得 得 得 將，代入公式（3.6）

52、，則水平面的撓度為： 得 得 得 (a)機構草圖 (b)受力簡圖 (c)水平面受力 (d)水平面彎矩圖 (e)垂直面受力 (f)垂直面彎矩圖 (g)合成彎矩圖 (h)轉矩圖 圖3.9 軸的結構和載荷圖 A-B段支承反力： 水平面： 垂直面： B-C段支承反力： 水平面： 垂直面： C-D段支承反力： 水平面： 垂直面： D-E段支承反力： 水平面： 垂直面： 軸的受力簡圖、水平面及垂直面受力簡圖見圖3.9b、c、e。 A-B段彎矩： 水平面： 垂直面： 合成： B-C段彎矩：

53、 水平面： 垂直面： 合成： C-D段彎矩： 水平面： 垂直面： 合成： D-E段彎矩： 水平面： 垂直面： 合成： 軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖3.9d、f、g。 軸的轉矩圖見圖3.9h。 3.3.3 主軸的強度校核 從合成彎矩圖和轉矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動所帶來的扭矩。因此，這兩個截面是危險截面。在校核主軸的強度時應按彎扭合成強度條件進行計算。 軸的彎扭合成強度條件為 （3.7） 式中： —— 軸的計算應力，； —— 軸的抗彎截面系數(shù)，； —— 折合系數(shù)； —

54、— 軸的許用彎曲應力，； —— 軸所受的扭矩，單位為； —— 軸所受的彎矩，單位為。 軸的抗彎截面系數(shù)為 式中： —— 軸頸處直徑，單位為； —— ，此處，為軸孔直徑。 得 根據(jù)主軸材料為，由《工程力學》查得許用彎曲應力。按扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取折合系數(shù)。 將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計算應力為 因為，所以主軸的強度符合要求。 3.3.4 主軸的剛度校核 軸在載荷作用下，將產生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。對于本課題的主軸，應該按軸的彎曲剛度校核。軸計算剛度經驗公式為

55、 （3.8） 式中： —— 軸的計算撓度，單位為； —— 軸慣性量，單位為； —— 軸所用材料的彈性模量，單位為； —— 支承跨度，單位為； —— 軸所受圓周力，單位為； —— 軸所受徑向力，單位為。 —— 軸的允許撓度，單位為 已知：，，，，。由《工程力學》查得軸的允許撓度為 將上述參數(shù)代入公式（3.8），則軸的計算剛度為 由于，所以軸能夠滿足剛度要求。 綜上所述，軸的強度，剛度均符合校核要求。 第4章 控制系統(tǒng)設計 數(shù)控機床一般要求能夠正確無誤的驅動步進電機和運用開關來實現(xiàn)整臺機器

56、的各種控制，譬如能實現(xiàn)機器的自動起動和自動停止，自動換當以及能夠自動的對軸的運動狀態(tài)進行檢測等等功能。而本數(shù)控升降臺銑床主要要求實現(xiàn)的功能是通過控制系統(tǒng)能很好的驅動步進電機，也就是能夠具體的實現(xiàn)步進的隨時停和運動的功能，還有也就是能夠通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動換當?shù)墓δ堋? 控制系統(tǒng)可以直接購買國內外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產品作為數(shù)控裝置，還可以由設計人員對其進行配套的專業(yè)設計。一般如果機器對于控制系統(tǒng)部分要求非常嚴格的話，這時就要求專業(yè)的自動控制人員對其進行專業(yè)的設計，而本方案只要求實現(xiàn)的是開控制系統(tǒng)，只要求能夠驅動步進電機和實現(xiàn)變頻電機的調速以及鍵盤顯示和對汽缸進行簡單的運動和停止控制即可，因而不是

57、很復雜的電路設計，可以套用典型電路控制，也可以進行簡單的各部分控制即可實現(xiàn)。 由于單片機具有體積小、可靠性高、控制功能強的優(yōu)點，而本臺機器要求的存儲空間不是很大，控制也相當?shù)暮唵蚊髁耍琈CS-51單片機相對u，n sp 單片機來說，其價格廉價，而且也能實現(xiàn)上述要求，電路結構也不復雜，性能控制也非常優(yōu)秀，故本臺機器的的現(xiàn)場控制采用MCS-51單片機來實現(xiàn)控制。 4.1控制系統(tǒng)總體設計 單片幾控制系統(tǒng)是由軟件和硬件共同組成的。對于某些既可用用硬件實現(xiàn)、又可用軟件實現(xiàn)的功能，在進行設計時主要充分考慮硬件和軟件的特點，合理地分配與協(xié)調起功能。 軟件可以減少硬件的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性，增加系

58、統(tǒng)控制的靈活性。但是系統(tǒng)的工作速度要相應降低，而且軟件初次研制成本較高，因此它適用于大批生產。硬件可以減輕軟件設計工作量，增加系統(tǒng)的快速性。但因連接點數(shù)增加而是故障點增多，不可靠因素也隨之增多，并且使單臺成本增加。如下圖系統(tǒng)結構總圖4-1： 圖4-1 控制系統(tǒng)機構總框圖 4.2硬件設計 硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來有以下幾個部分組成：（1）中央處理單元CPU。（2）總線 包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。（3）存貯器 包

59、括可擦除存貯器（EEPROM）和隨機存貯器（RAM）。（4）I/O輸入/輸出接口電路。 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路的協(xié)調工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存貯器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。 其電路圖如下圖4-2控制電路圖： 圖4-2控制電路圖 4.3軟件設計 軟件設計采用模塊化程序結構，主要由主程序、控制算法子程序、系統(tǒng)初始化程序、升降頻控制程序、顯示鍵盤子程序等組成。如圖4-3 主程序流程圖

60、 主 程 序 顯示子程序 有鍵按下？ 系統(tǒng)初始化 主電路V、 I檢測正常 調動處理子程序 啟動鍵？ 調動處理子程序 Y N N N 正常運行 Y 轉速測量及PID調節(jié) 運算處理子程序 變速運行？ 停車？ 調動處理子程序 變速處理 子程序 停車處理及顯示 Y 圖4-3 主程序流程圖 4.3.1 步進電機的控制原理 步進電機是將電能轉化為機械能的電磁元件。步進電機是手脈沖信號控制的，脈沖信號的產生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大

61、由放大電路來完成。由于強弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，已防止電源串路。具體控制電路如圖4-2控制電路圖所示。 4.3.2 變頻電機的相關控制 對于變頻電機而言，主要是實現(xiàn)其相應速度的控制，也就是通過單片機輸出的脈沖來控制變頻電機的輸出轉速，實現(xiàn)機床主軸的無極變速。單片機中，通過對整流電路、逆變器電路、PWM模塊、門極可關斷可控硅（GTO）驅動電路、檢測保護電路和轉速測量電路，對變頻電機加以變速控制和安全保護，從而能使變頻電機的正常工作。電路圖如圖4-2控制電路圖所示。 4.3.3 譯碼法尋址 由于擴展的存貯器和其它外圍芯片的數(shù)量較多，常常采用譯碼法尋址，由譯碼器組成譯

62、碼電路對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出作為存貯器芯片的片選信號，分別選通各芯片。這樣既充分利用了存貯器空間，又避免了空間分散的缺點，還可以減少I/O口線。本數(shù)控機床采用74LS138地址譯碼器如 4.3.4 鍵盤顯示器接口 鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機對話的外圍設備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計算機運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。鍵盤接口電路，用8255作為并行接口使用。8255的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽單片機的接口直接連接，由片選信號控制實現(xiàn)分時信息傳遞。 4.3.5 程序存儲器（EEPROM）芯片 由于數(shù)控機床在加工的時候要進行加工程序的監(jiān)控，所以數(shù)控系統(tǒng)

63、需要有程序存儲器，放置監(jiān)控程序。本數(shù)控機床選用EEPROM （容量為8K）。 4.2.6 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片 由于數(shù)控機床在加工的時候要進行加工程序的調試，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有隨機 儲器，放置調試程序。本數(shù)控機床選用靜態(tài)RAM6264（容量為8K）。 結論 我國數(shù)控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈 努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等 措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產量在金屬切削機床中占有 較大的比例。目前，國產數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質量基本穩(wěn)定可靠， 已進入實用和全面發(fā)展階段

64、。但是在這些數(shù)控機床中，大都處于單機運行狀態(tài)， 并且相當一部分處于效率不高，加工不精密的狀態(tài)。 在本次設計中，在參考國內外同類機床產品結構的下，完成了主傳動系統(tǒng)的 動力參數(shù)設計和結構設計，合理布置了各軸空間位置，并繪制了主軸箱主傳動系 統(tǒng)圖，而且主軸轉速由普通數(shù)控機床單一轉速設計為兩級變速，使其滿足不同材 料的表面對其加工的要求。本項目的研究，有利于改善加工中心的性能，使得產 品的加工更加高效，更加精密。 致 謝 本論文是在xxx老師的悉心指導下完成的。陳老師作為一名優(yōu)秀的、經驗豐富的教授，具

65、有豐富的知識和經驗，在整個論文實驗和論文寫作過程中，對我進行了耐心的指導和幫助，提出嚴格要求，引導我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時光中，既增長了知識、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實驗習慣和科研精神。在此，我向我的指導老師表示最誠摯的謝意！ 在論文即將完成之際，我的心情久久無法平靜，從開始選題到順利論文完成，有不知多少多少可敬的師長、同學、朋友給了我無數(shù)的幫助。感謝學校在過去的四年里為我提供的良好的學習環(huán)境和氛圍，感謝學校在我學習期間曾給予的各種資助和獎勵，這些都為我能正常完成學業(yè)提供了莫大幫助；感謝曾給我授課的所有老師們，沒有他們的細心教導，我就不可

66、能具備現(xiàn)在的專業(yè)素養(yǎng)和能力。感謝我的家人和與我四年相依相伴的同學們，他們的支持與情感，是我永遠的財富。 感謝文中所引用文獻的所有作者們、所有關心、支持和幫助過我的老師、同學和朋友們！正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個困難、解明疑惑，直至本文順利完成，在這里請接受我誠摯的謝意！ 參考文獻 [1] 張新義主編. 經濟型數(shù)控機床[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1993.10 [2] 徐溥滋，張舒勃主編.專用機床設計與制造[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，1979.12 [3] 濮良貴,紀名剛主編.機械設計(第八版) [M].北京:高等教育出版社,2006.5 [4] 戴曙主編.金屬切削機床設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.4 [5] 北京航空學院機械加工教研室編.數(shù)控機床的結構與傳動[M].北京；國防工業(yè)出版社.1977.9 [6] 吳祖育等編著. 數(shù)控機床[[M]. 上海：上?？茖W技術出版社，1989.5 [7] 張新義主編.經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社.20